【正文】 2021~2021 學(xué)年 第 二 學(xué)期 《 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》 課程 設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 彩燈控制器 班 級(jí)： 10 信息 本 （ 2） 班 姓 名： 牛然 陳麗華 支發(fā)云 指導(dǎo)教師： 周珍艮 洪鎖 電氣工程系 2021 年 05 月 I 《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》任務(wù)書(shū) 課題名稱 彩燈控制器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 周珍艮 、馮鎖 執(zhí)行時(shí)間 2021~2021 學(xué) 年第 二 學(xué)期 第 14 周 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 承擔(dān)任務(wù) 評(píng)分 牛然 1009121112 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及 程序調(diào)試仿真 陳麗華 1009121100 部分模塊的設(shè)計(jì) 支發(fā)云 1009121128 部分模塊的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 要求 （ 1） 用 EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器，使彩燈（ LED 管）能連續(xù)發(fā)出 六 種以上不同的花型 (自擬 )； （ 2） 隨著彩燈顯示圖案的變化，發(fā)出不同的音響聲。 （ 3） 每?jī)煞N花形變化的間隔為 2 秒； （ 4）有復(fù)位的功能，通過(guò) CLR 鍵來(lái)控制復(fù)位； （ 5）有暫停功能，通過(guò) K1 鍵來(lái)控制暫停和繼 續(xù)； II 摘 要 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著速度快，容量大，體積小，重量輕的方向發(fā)展。推動(dòng)該潮流迅猛發(fā)展的引擎就是日趨進(jìn)步和完善的 ASIC 設(shè)計(jì)技術(shù)。目前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下地逐層完成相應(yīng)的描述，綜合，優(yōu)化，仿真與驗(yàn)證，直到生成器件。上述設(shè)計(jì)過(guò)程除了系統(tǒng)行為和功能描述以外，其余所有的設(shè)計(jì)過(guò)程幾乎都可以用計(jì)算機(jī)來(lái)自動(dòng)完成，也就是說(shuō)做到了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ EDA）。這樣做可以大大地縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，以適應(yīng)當(dāng)今品種多，批量小的電子市場(chǎng)的需求， 提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。 本文介紹了以 VHDL 為基礎(chǔ)的彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多種花型的循環(huán)變化 ， 隨著彩燈顯示圖案的變化，發(fā)出不同的音響聲 ，并且可以對(duì)彩燈變換頻率進(jìn)行人為設(shè)定。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，有較高的靈活性及實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ： EDA。VHDL。彩燈 控制 系統(tǒng) III 目 錄 《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》任務(wù)書(shū) ............................................................................................I 摘 要 ....................................................................................................................... II 目 錄 ...................................................................................................................... III 第 1章 彩燈控制器原理 ........................................................................................... 1 彩燈控制器的設(shè)計(jì)目的 .................................................................................. 1 彩燈控制器的設(shè)計(jì)要求 .................................................................................. 1 彩燈控制器的設(shè)計(jì)原理 .................................................................................. 1 第 2章 彩燈控制器的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 3 彩燈控制器的設(shè)計(jì)框圖 .................................................................................. 3 彩燈控制器模塊設(shè)計(jì) ...................................................................................... 3 模塊功能描述 ........................................................................................ 3 時(shí)序控制模塊 ........................................................................................ 4 顯示控制模塊 ........................................................................................ 6 第 3章 彩燈控制器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及仿真 ................................................................. 10 整體功能描述 ................................................................................................ 10 程序編譯與仿真 ............................................................................................ 13 Xilinx 的 ISE 軟件的介紹 ................................................................ 13 彩燈控制器的編譯與仿真 .................................................................. 14 程序下載 ........................................................................................................ 16 總 結(jié) ...................................................................................................................... 17 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 18 附 錄 ...................................................................................................................... 19 答辯記錄及評(píng)分表 ..................................................................................................... 23 1 第 1 章 彩燈控制器 原理 彩燈控制器的設(shè)計(jì)目的 本程序以計(jì) 算機(jī)為工作平臺(tái)，綜合運(yùn)用 EDA 軟件工具開(kāi)發(fā)環(huán)境、用硬件描述語(yǔ)言 VHDL 為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以 ASIC 來(lái)實(shí)現(xiàn)載體的設(shè)計(jì)。通過(guò)在 EDA 中的編譯和處理、仿真下載、調(diào)試分析，接受一次電子設(shè)計(jì)藍(lán)領(lǐng)初步的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，并使所學(xué)的知識(shí)和技能得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展，以達(dá)到可以運(yùn)用 EDA 工具設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品，掌握使用 EDA 工具設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，為繼續(xù)學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)電子設(shè)計(jì)知識(shí)打下良好的基礎(chǔ)。 培養(yǎng)利用 EDA 技術(shù)知識(shí)，解決電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化中常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，積累實(shí)際的 EDA 編程。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，復(fù)習(xí)所學(xué)的專業(yè)知 識(shí)，使課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。培養(yǎng)綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力、查閱圖書(shū)資料和各種工具書(shū)的能力、工程繪圖能力、撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力，接受一次電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面的基本訓(xùn)練。 彩燈控制器的設(shè)計(jì)要求 用 EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器，使彩燈（ LED 管）能連續(xù)發(fā)出 六 種以上不同的花型 (自擬 )； 隨著彩燈顯示圖案的變化，發(fā)出不同的音響聲。 每?jī)煞N花形變化的間隔為 2 秒； 有復(fù)位的功能，通過(guò) CLR 鍵來(lái)控制復(fù)位； 有暫停功能，通過(guò) K1 鍵來(lái)控制暫停和繼續(xù)； 彩燈 控制器的 設(shè)計(jì)原理 此設(shè)計(jì)的要求是連續(xù)發(fā)出四種以上的花型且顯示不同花型的時(shí)候發(fā)出不同的響聲?？梢杂纱送茰y(cè)：如果要發(fā)出不同的響聲，必定需要由不同的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，而顯示部分可以使用計(jì)數(shù)掃描的方法得以實(shí)現(xiàn)，但是如果想聽(tīng)到清晰的聲 2 音，必然要加大輸入頻率，但輸入頻率的增加，必然導(dǎo)致顯示部分花型變換的頻率就會(huì)相應(yīng)的增加，以致花型變換過(guò)快，顯示不明顯。 如果利用分頻器，實(shí)現(xiàn)頻率的改變，既可以發(fā)出不同的聲音，又可以滿足花型變換過(guò)快的問(wèn)題。 所以 此設(shè)計(jì)的核心是分頻器的使用。 分頻器部分的設(shè)計(jì)是利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻，將控制器外接的 頻率分為幾個(gè)我們預(yù)先設(shè)定的值。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，即產(chǎn)生一個(gè)上升沿，從而實(shí)現(xiàn)分頻。顯示部分的設(shè)計(jì)是利用分頻器產(chǎn)生的低頻信號(hào)記數(shù)，從而達(dá)到控制數(shù)碼管顯示時(shí)，不同花色之間變換的頻率不至于太快。利用分頻器輸出的不同頻率信號(hào)，可以在花型變換的時(shí)候控制揚(yáng)聲器發(fā)出不同的聲音。 綜上所訴： 這次的彩燈設(shè)計(jì)采用的是分模塊來(lái)完成的，包括分頻器、計(jì)數(shù)器、選擇器、彩燈控制器。其中彩燈控制器是用來(lái)輸出不同的花樣，彩燈控制器的輸出則是用一個(gè) 32 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器來(lái)控制，揚(yáng)聲器的輸出時(shí)用不同的頻率來(lái)控制，所以用了一個(gè)集成分頻器來(lái)使輸入的 頻率被分為幾種不同的頻率，不同頻率的選擇性的輸出則是用一個(gè) 4 選一的選擇器來(lái)控制。基于上述的介紹本次的彩燈控制采用的模式 6 來(lái)進(jìn)行顯示。 圖 11 模式 6 結(jié)構(gòu)圖 3 第 2 章 彩燈控制器的 設(shè)計(jì) 彩燈控制器的設(shè)計(jì) 框圖 模塊的設(shè)計(jì)使得程序得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于程序的理解和對(duì)模塊的設(shè)計(jì)緊密 的聯(lián)系起來(lái)利用 EDA 技術(shù)方便快捷的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)。用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該理解，VHDL 語(yǔ)言是一種全方位硬件描述語(yǔ)言，包括系統(tǒng)行為級(jí)，寄存器傳輸級(jí)和邏輯門(mén)級(jí)多個(gè)設(shè)計(jì)層次。應(yīng)充分利用 VHDL“自頂向下 ”的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)以及層次化的設(shè)計(jì)概念，層次概念對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng) 時(shí) 鐘 信 號(hào)復(fù) 位 信 號(hào)時(shí)序電路顯 示 電 路時(shí) 序 信 號(hào) 4時(shí) 序 信 號(hào) 3時(shí) 序 信 號(hào) 2時(shí) 鐘 信 號(hào) 1揚(yáng) 聲 器 圖 21 彩燈控制器的設(shè)計(jì)框圖 彩燈控制器模塊設(shè)計(jì) 模塊功能描述 時(shí)序控制模塊的功能是產(chǎn)生輸入脈沖的１＼４分頻脈沖信號(hào)和１＼８分頻脈沖信號(hào)，以此控制十六路彩燈的快慢節(jié)奏 變化。 顯示控制模塊的功能是使電路產(chǎn)生六種花型并且循環(huán)顯示，以此實(shí)現(xiàn)本次課程設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的多路彩燈控制器的花型循環(huán)顯示功能。 模塊的設(shè)計(jì)使得程序得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于程序的理解和對(duì)模塊的設(shè)計(jì)緊密的聯(lián)系 4 起來(lái)利用 EDA 技術(shù)方便快捷的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)。用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該理解，VHDL 語(yǔ)言是一種全方位硬件描述語(yǔ)言，包括系統(tǒng)行為級(jí)，寄存器傳輸級(jí)和邏輯門(mén)級(jí)多個(gè)設(shè)計(jì)層次。應(yīng)充分利用 VHDL“自頂向下 ”的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)以及層次化的設(shè)計(jì)概念，層次概念對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)是非常有用的，它使得我們可以從簡(jiǎn)單的單元入手，逐漸構(gòu)成龐大而復(fù)雜 的系統(tǒng)。 時(shí)序控制模塊 時(shí)序控制模塊是本程序的時(shí)鐘信號(hào)選擇模塊，它的功能是產(chǎn)生輸入脈沖的１＼４分頻脈沖信號(hào)和１＼８分頻脈沖信號(hào)，以此控制彩燈的快慢節(jié)奏變化。時(shí)序控制模塊在本電路中起著至關(guān)重要的作用，它以彩燈閃動(dòng)快慢節(jié)奏的變化實(shí)現(xiàn)了多路彩燈絢麗多彩的花型節(jié)奏變化。時(shí)序控制電路是整個(gè)電路中一個(gè)分模塊，它的設(shè)計(jì)對(duì)彩燈控制器設(shè)計(jì)的順利完成起著決定性的作用。